基于封閉式行星齒輪的并聯(lián)式混合動(dòng)力傳遞裝置的研究

劉亞波

(華銳風(fēng)電科技(集團(tuán))股份有限公司，北京 100872)

基于封閉式行星齒輪的并聯(lián)式混合動(dòng)力傳遞裝置的研究

劉亞波

(華銳風(fēng)電科技(集團(tuán))股份有限公司，北京 100872)

目前并聯(lián)式混合動(dòng)力傳遞裝置一般是在現(xiàn)有AT、DCT或者CVT基礎(chǔ)上增加電動(dòng)機(jī)和離合器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而這種技術(shù)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以實(shí)現(xiàn)小型化和輕量化的不足。針對(duì)這一問(wèn)題，提出一種基于定軸式封閉式行星齒輪單元的混合動(dòng)力專用傳遞裝置HDT，并對(duì)其結(jié)構(gòu)原理和特點(diǎn)進(jìn)行分析。HDT采用定軸齒輪變速機(jī)構(gòu)來(lái)封閉行星齒輪組成多級(jí)傳動(dòng)單元，以功率分流輸出、功率分流輸入和封閉式行星齒輪傳動(dòng)等3種模式來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和電力驅(qū)動(dòng)等3種運(yùn)行工況，具有傳遞效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等諸多優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)指出目前尚待解決的問(wèn)題并展望其應(yīng)用前景。

并聯(lián)式；混合動(dòng)力傳遞裝置;封閉式行星齒輪

0 引言

現(xiàn)代汽車在為人們出行提供便利的同時(shí)加劇了對(duì)不可再生石油資源的依賴，并且傳統(tǒng)燃油汽車在使用過(guò)程中產(chǎn)生的大量有害廢氣造成了空氣質(zhì)量的進(jìn)一步惡化。因此，世界各國(guó)不斷加大力度推動(dòng)混合動(dòng)力技術(shù)及電動(dòng)汽車技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。目前電動(dòng)汽車受限于動(dòng)力電池的能量密度和成本原因，普遍續(xù)航能力不高。而插電式混合動(dòng)力(Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV)汽車的油耗和排放方面相較于傳統(tǒng)燃油汽車有明顯的優(yōu)勢(shì)，并且在續(xù)航能力方面不存在問(wèn)題。因此在動(dòng)力電池技術(shù)取得突破之前，插電式混合動(dòng)力技術(shù)是降低油耗和排放的有效途徑之一。

目前并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車一般采用AT(Automatic Transmission)、CVT(Continuously Variable Transmission)或DCT(Dual Clutch Transmission)等自動(dòng)變速器并聯(lián)一個(gè)電動(dòng)/發(fā)電機(jī)并布置相應(yīng)的離合器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)繼承度高，結(jié)合現(xiàn)有自動(dòng)變速器技術(shù)較易實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是原有自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)已經(jīng)比較復(fù)雜，再增加電機(jī)之后整套系統(tǒng)尺寸將會(huì)進(jìn)一步增加，難以實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化。因此，針對(duì)插電式混合動(dòng)力汽車的特點(diǎn)開發(fā)一種結(jié)構(gòu)緊湊且效率較高的專用動(dòng)力傳遞裝置(Hybrid Drive Transmission，HDT)是有必要的。進(jìn)而提出的傳遞裝置方案(HDT)采用了定軸式封閉行星齒輪單元組成的多級(jí)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，在原理上具備結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)，可以一定程度上解決現(xiàn)有單電機(jī)并聯(lián)混合動(dòng)力傳遞裝置技術(shù)的一些不足之處。

1 HDT結(jié)構(gòu)和原理

1.1 HDT的結(jié)構(gòu)

HDT的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由摩擦式離合器、差動(dòng)機(jī)構(gòu)、變速機(jī)構(gòu)、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)以及相應(yīng)的連接元件組成；其中電動(dòng)/發(fā)電機(jī)可以作為電動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力,也可以作為發(fā)電機(jī)利用外部動(dòng)力進(jìn)行發(fā)電；變速機(jī)構(gòu)包含輸入軸和輸出軸，以及布置在輸入軸與輸出軸之間不同傳動(dòng)比的擋位齒輪副；差動(dòng)機(jī)構(gòu)具有太陽(yáng)輪、行星架和行星輪以及內(nèi)齒圈，且內(nèi)齒圈外圓布有外齒輪用于輸出動(dòng)力。其中變速機(jī)構(gòu)各擋位齒輪副通過(guò)牙嵌式離合器實(shí)現(xiàn)連接或者斷開。

變速機(jī)構(gòu)的輸入軸通過(guò)摩擦式離合器與發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸連接，變速機(jī)構(gòu)的輸出軸通過(guò)齒輪組與電動(dòng)/發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸連接；差動(dòng)機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)輪通過(guò)齒輪組與電動(dòng)/發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸連接，行星架與變速機(jī)構(gòu)輸入軸連接，內(nèi)齒圈通過(guò)其外齒輪輸出動(dòng)力。

如圖1所示，差動(dòng)機(jī)構(gòu)的行星架和太陽(yáng)輪通過(guò)變速機(jī)構(gòu)的定軸傳動(dòng)進(jìn)行連接組成了封閉式行星齒輪單元，其傳動(dòng)比由差動(dòng)機(jī)構(gòu)和定軸傳動(dòng)共同決定，當(dāng)變速機(jī)構(gòu)傳遞動(dòng)力的齒輪副發(fā)生變化時(shí)封閉式行星齒輪單元的傳動(dòng)比隨之改變。

圖1 HDT的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

1.2 HDT的傳動(dòng)比分配

封閉式行星齒輪單元傳動(dòng)比一般計(jì)算公式如下：

(1)

結(jié)合圖1所示的封閉結(jié)構(gòu)得出：iβδ=1，則：

(2)

式中：Za為太陽(yáng)輪齒數(shù)；Zb為內(nèi)齒圈齒數(shù)。

(3)

(4)

HDT的傳動(dòng)比分配相較于傳統(tǒng)變速器有明顯的區(qū)別。一般情況下Za/Zb<0.6，基于公式(4)可見，如果要達(dá)到傳統(tǒng)變速器傳動(dòng)比范圍(itotal=5～7)，并且全部以封閉式行星齒輪單元形式分配傳動(dòng)比，其變速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比范圍將明顯增加。基于以上原因，提出的HDT方案將傳動(dòng)比分為高低兩個(gè)部分：將變速機(jī)構(gòu)設(shè)置為空擋，差動(dòng)機(jī)構(gòu)不被封閉而作為功率分流結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用，通過(guò)控制電動(dòng)/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)多個(gè)模擬擋位作為低速擋部分；高速擋部分通過(guò)采用不同傳動(dòng)比的封閉式行星齒輪單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。

功率分流結(jié)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)速依照以下公式求出：

(5)

進(jìn)而：

(6)

以六擋分配方案舉例，如表1所示，該方案?jìng)鲃?dòng)比范圍為6.03，可以達(dá)到傳統(tǒng)變速器傳動(dòng)比范圍。

表1 HDT傳遞裝置六擋傳動(dòng)比分配案例

1.3 HDT的工作原理

采用HDT的車輛可以有電力驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和混合驅(qū)動(dòng)3種工作模式。車輛蓄電池電量充足時(shí)車輛啟動(dòng)以及較低速度行駛兩個(gè)工況設(shè)置為電力驅(qū)動(dòng)模式；當(dāng)蓄電池電量不足或者車輛以較高速度行駛時(shí)設(shè)置為發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式；車輛加速換擋時(shí)設(shè)置為混合驅(qū)動(dòng)模式。以下結(jié)合表1的傳動(dòng)比分配方案對(duì)這兩種情況分別進(jìn)行說(shuō)明。

(1)蓄電池電量充足時(shí)。車輛在靜止?fàn)顟B(tài)下設(shè)置摩擦式離合器斷開與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接，設(shè)置變速機(jī)構(gòu)中的牙嵌式離合器狀態(tài)使差動(dòng)機(jī)構(gòu)和變速機(jī)構(gòu)組成5th擋封閉式行星齒輪傳動(dòng)單元。電動(dòng)/發(fā)電機(jī)可以作為電動(dòng)機(jī)利用車輛蓄電池的電能來(lái)驅(qū)動(dòng)所述封閉式行星齒輪傳動(dòng)單元，此時(shí)車輛在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下可以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、前進(jìn)和倒車。當(dāng)車輛以較高速度運(yùn)行時(shí)，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)置摩擦式離合器與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛以5th擋固定傳動(dòng)比行駛。當(dāng)車輛需要加速時(shí)，此時(shí)電動(dòng)/發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)來(lái)發(fā)揮作用。通過(guò)設(shè)置變速機(jī)構(gòu)中的牙嵌式離合器斷開連接，差動(dòng)機(jī)構(gòu)作為功率分流輸入機(jī)構(gòu)，設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不增大，而依靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速增大來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛的加速，這個(gè)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過(guò)差動(dòng)機(jī)構(gòu)匯合后輸出到車輪。隨著太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)速增加，變速機(jī)構(gòu)輸出軸的轉(zhuǎn)速與6th擋齒輪副的從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速會(huì)逐漸接近至幾乎相等，此時(shí)設(shè)置牙嵌式離合器的位置，完成5th擋升6th擋過(guò)程，發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)驅(qū)動(dòng)車輛以6th擋固定傳動(dòng)比行駛。

(2)蓄電池電量不足時(shí)。低速工況下，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，變速機(jī)構(gòu)中的牙嵌式離合器設(shè)置為斷開，設(shè)置摩擦式離合器與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，這樣由于差動(dòng)機(jī)構(gòu)沒有被減速機(jī)構(gòu)封閉，它將作為功率分流輸出結(jié)構(gòu)來(lái)發(fā)揮作用。電動(dòng)/發(fā)電機(jī)可以作為發(fā)電機(jī)來(lái)發(fā)揮作用，通過(guò)控制其轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)速，表1中1st～4th為虛擬擋位，隨著發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，車速不斷增加，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車輛的低速運(yùn)行。在發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)加速過(guò)程中，當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速降為0之后，電動(dòng)/發(fā)電機(jī)將反向旋轉(zhuǎn)作為電動(dòng)機(jī)發(fā)揮作用，與發(fā)動(dòng)機(jī)一同驅(qū)動(dòng)車輛繼續(xù)加速，差動(dòng)機(jī)構(gòu)作為功率分流輸入結(jié)構(gòu)來(lái)發(fā)揮作用，直至變速機(jī)構(gòu)的牙嵌式離合器可以切換到5th擋。之后過(guò)程與蓄電池電量充足時(shí)的過(guò)程相同，不再進(jìn)行分析。

2 HDT的特點(diǎn)

2.1 動(dòng)力傳遞效率高

HDT總體結(jié)構(gòu)為差動(dòng)機(jī)構(gòu)和定軸齒輪傳動(dòng)通過(guò)不同的組合方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于定軸齒輪傳動(dòng)效率較高，因此在分析HDT傳動(dòng)效率時(shí)主要關(guān)注差動(dòng)機(jī)構(gòu)在不同工況下的傳遞效率。并且在一般情況下，對(duì)于行星齒輪傳動(dòng)，多個(gè)行星輪的均載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使基本構(gòu)件所用軸承的摩擦損失可以忽略不計(jì)，僅考慮行星輪軸承的摩擦損失。

結(jié)合上面的案例，HDT的傳遞效率按照驅(qū)動(dòng)模式可以分為3種結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行分析：

(1)功率分流輸出結(jié)構(gòu)傳動(dòng)效率：

(7)

式中：φh為行星傳動(dòng)損失系數(shù)。

得出：μh(ab)>1-φh

(8)

行星傳動(dòng)損失系數(shù)采用下式進(jìn)行計(jì)算：

(9)

行星輪與太陽(yáng)輪或與內(nèi)齒圈的齒輪嚙合損失系數(shù)均可采用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Z1為嚙合齒輪中的小齒輪齒數(shù)；Z2為嚙合齒輪中的大齒輪齒數(shù)；fm為嚙合摩擦因數(shù)，取0.06。

為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，行星輪軸承的摩擦損失系數(shù)采用0.02進(jìn)行估算。

代入公式(9)得出：φh=0.035。

代入公式(8)得出：μh(ab)>96.5%。

(2)功率分流輸入結(jié)構(gòu)傳動(dòng)效率：

(10)

μ(ab)h>1-φh

(11)

將φh=0.035代入公式(11)得出：

μ(ab)h>96.5%

(3)封閉式行星齒輪結(jié)構(gòu)傳動(dòng)效率由下式計(jì)算：

(12)

變速機(jī)構(gòu)為三級(jí)定軸傳動(dòng)，摩擦損失系數(shù)按照0.03估算。

將以上結(jié)果代入公式(12)得出5th擋和6th擋的傳動(dòng)效率分別為98%和97.5%。

文中提出的封閉機(jī)構(gòu)工作時(shí)不存在循環(huán)功率，傳動(dòng)效率較高。其本質(zhì)上是部分功率通過(guò)變速機(jī)構(gòu)的功率分流輸入結(jié)構(gòu)，因此其傳動(dòng)效率：

μδγ>96.5%×(1-0.03)

得出：μδγ>93.6%

另外，在HDT傳動(dòng)過(guò)程中還存在潤(rùn)滑油的液力損失，目前在潤(rùn)滑油液力損失方面尚無(wú)成熟的方法進(jìn)行理論計(jì)算，然而可以推斷的是文中提出的HDT結(jié)構(gòu)在各種工況下的液力損失相對(duì)于多排行星齒輪自動(dòng)變速器(AT)有明顯減少。綜合以上結(jié)果可見，HDT具有較高的傳遞效率。

2.2 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊

HDT是針對(duì)混合動(dòng)力特征而設(shè)計(jì)的。如表1案例所示：一方面，在1st～4th擋發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工況下采用發(fā)電機(jī)調(diào)速，省去了機(jī)械變速機(jī)構(gòu)；另一方面，車輛在5th和6th擋的高速運(yùn)行工況下變速機(jī)構(gòu)只有部分功率通過(guò)，結(jié)構(gòu)緊湊。且換擋采用電動(dòng)機(jī)輔助同步，相對(duì)于目前存在的并聯(lián)式混合動(dòng)力傳遞裝置，省去了復(fù)雜的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，換擋機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單。

2.3 動(dòng)力傳遞能力強(qiáng)

與傳統(tǒng)CVT結(jié)構(gòu)的混動(dòng)傳遞裝置相比，在傳遞大扭矩時(shí)不存在打滑現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)大扭矩、大功率的動(dòng)力傳遞。理論上傳遞扭矩的大小只與封閉式行星單元的承載能力有關(guān)。

2.4 可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速

HDT本質(zhì)上是一種差動(dòng)式行星齒輪無(wú)級(jí)變速器，其傳動(dòng)比的變化是通過(guò)控制電動(dòng)/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速或狀態(tài)進(jìn)而調(diào)整差動(dòng)機(jī)構(gòu)中太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速且調(diào)速非常方便。

2.5 成本低

相比傳統(tǒng)混合動(dòng)力傳遞裝置，其零件數(shù)量少，制造容易，成本低。

3 HDT還需要解決的問(wèn)題

與現(xiàn)有并聯(lián)式混合動(dòng)力傳動(dòng)裝置相比，HDT有諸多方面的優(yōu)點(diǎn)，但仍存在一些需要解決的問(wèn)題：

(1)在車輛低速且發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的整個(gè)工況中，電動(dòng)/發(fā)電機(jī)存在由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)的過(guò)程，此轉(zhuǎn)變過(guò)程中存在一個(gè)低轉(zhuǎn)速下的發(fā)電制動(dòng)效率不高的問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，可以考慮增加一個(gè)摩擦式制動(dòng)器，并建立數(shù)學(xué)模型對(duì)功率分流輸出的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行仿真，以確定摩擦式制動(dòng)器的最佳介入點(diǎn)和控制邏輯。

(2)制動(dòng)能量回收問(wèn)題。在低速發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工況以及混合驅(qū)動(dòng)工況下，由于差動(dòng)機(jī)構(gòu)未封閉，此時(shí)車輛制動(dòng)時(shí)能量將無(wú)法回收。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，可以在太陽(yáng)輪和行星架之間增加一個(gè)摩擦式離合器用來(lái)封閉差動(dòng)機(jī)構(gòu)，并建立相應(yīng)的三維模型以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與電力驅(qū)動(dòng)相互切換時(shí)的靈活平順性。車輛低速運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力來(lái)源取決于蓄電池電量的高低，存在發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和電力驅(qū)動(dòng)工況的相互切換，而這個(gè)過(guò)程是否平順將直接影響車輛的舒適性。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，可以建立整車傳動(dòng)仿真模型對(duì)動(dòng)力切換進(jìn)行仿真，以確定最優(yōu)的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)/發(fā)電機(jī)參數(shù)以及二者的控制邏輯。

4 總結(jié)

HDT是一種由差動(dòng)機(jī)構(gòu)和變速機(jī)構(gòu)組成的多級(jí)封閉式行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)。采用HDT的車輛在啟動(dòng)和低速運(yùn)行時(shí)，變速機(jī)構(gòu)不工作，差動(dòng)機(jī)構(gòu)作為功率分流輸出或功率輸入結(jié)構(gòu)來(lái)發(fā)揮作用；在電力驅(qū)動(dòng)或者車輛高速行駛時(shí)，變速機(jī)構(gòu)將差動(dòng)機(jī)構(gòu)封閉，以固定傳動(dòng)比傳遞動(dòng)力。相對(duì)于傳統(tǒng)并聯(lián)式混合動(dòng)力傳遞裝置，HDT具有動(dòng)力傳遞效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、動(dòng)力傳遞能力強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速和成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。

現(xiàn)階段對(duì)HDT的結(jié)構(gòu)、工作原理、主要特點(diǎn)和技術(shù)問(wèn)題的分析，為今后該傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及控制策略的研究并且推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化奠定了良好的基礎(chǔ)。

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StudyonParallelHybridElectricSystemBasedonClosedPlanetaryGears

LIU Yabo

(Sinovel Wind Group Co.,Ltd., Beijing 100872,China)

Currently,parallel hybrid electric system is generally developed based on automatic transmission, dual clutch transmission or continuously variable transmission, but this solution concept has a complex structure,it is difficult to reduce the volume and weight. So, a hybrid electric system(HDT) based on closed planetary gears unit was proposed, and its run principle and characteristics were analyzed. HDT had three kinds of operation mode, with high transmission efficiency, compact structure and some other advantages. At the same time, the problems that had yet to be solved were pointed out.

Parallel type; Hybrid electric transmission; Closed planetary gears

U469.7

A

1674-1986(2017)09-037-04

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.09.008

2017-05-24

劉亞波(1984—)，男，本科,研究領(lǐng)域?yàn)槠嚥⒙?lián)式混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。E-mail：liuyb_good@126.com。